Descripción de la imagen: Visualización de la expansión del Universo desde el Big Bang. Fuente de la imagen: Astronoo IA.
La afirmación de la edad del Universo se basa en varias observaciones y teorías físicas que permiten estimar lo que se llama "edad cosmológica". Esta estimación proviene principalmente de la comprensión de las leyes de la física, las propiedades de la expansión del Universo y la radiación cósmica de fondo. ¿Cómo se determina esta edad?
La idea fundamental detrás de la edad del Universo se basa en el modelo cosmológico del Big Bang, que sugiere que el Universo comenzó en un estado extremadamente denso y caliente hace aproximadamente 13,8 mil millones de años. La evolución del Universo desde ese momento, en particular su expansión, está descrita por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein.
$$ R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R + g_{\mu\nu}\Lambda = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$
El lado izquierdo de la ecuación está relacionado con la geometría del espacio-tiempo, que está influenciada por la distribución de la materia y la energía en el Universo, representada por el lado derecho de la ecuación. ¿Existen soluciones que correspondan a nuestro Universo?
Las ecuaciones de la relatividad general son ecuaciones diferenciales no lineales complejas, y aunque es posible resolverlas en algunos casos muy específicos, no existe una solución general exacta para todas las configuraciones posibles de materia y energía.
Será necesario elegir una solución aproximada de acuerdo con la observación, es decir, un buen modelo matemático que se ajuste a la descripción del cosmos, según la exactitud de nuestras medidas.
Una de las primeras pruebas sólidas de la expansión del Universo proviene de la observación del desplazamiento hacia el rojo de las galaxias distantes. Esto significa que estas galaxias se alejan de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia, un fenómeno descrito por la ley de Hubble-Lemaître publicada en 1929. La relación entre la distancia de las galaxias y su velocidad de fuga permite retroceder al momento en que estas galaxias estaban concentradas en un solo punto, marcando el inicio del Universo. Al medir esta expansión (70 kilómetros por segundo por megapársec, que es el promedio utilizado en los cálculos), los cosmólogos pueden calcular el tiempo transcurrido desde el Big Bang.
La CMB, o radiación fósil, es una forma de radiación electromagnética que fue emitida aproximadamente 380,000 años después del Big Bang, cuando el Universo se había enfriado lo suficiente para permitir que los electrones y protones se combinaran y formaran átomos de hidrógeno. Esta radiación, observada en todo el Universo, contiene información sobre el estado del Universo en esos primeros momentos. Las mediciones precisas de la CMB, particularmente las obtenidas por satélites como WMAP o Planck, proporcionan indicios sobre la estructura del Universo primitivo y permiten restringir los parámetros cosmológicos, como la densidad de materia y energía, y por lo tanto la edad del Universo.
El modelo cosmológico actual, llamado modelo ΛCDM (Lambda Materia Oscura Fría), describe la evolución del Universo en función de la materia, la energía oscura y la relatividad general. Al utilizar observaciones como el desplazamiento hacia el rojo de las galaxias, la distribución de la materia en el Universo y la CMB, los cosmólogos pueden calcular la edad del Universo con una "gran precisión". Estos cálculos se basan en la solución de las ecuaciones de Friedmann, que se derivan de las ecuaciones de la relatividad general y que describen la evolución del Universo a gran escala.
Otro enfoque consiste en estudiar la evolución de los objetos estelares y los cúmulos de estrellas. Las estrellas más antiguas, como las de los cúmulos globulares, ofrecen una restricción adicional sobre la edad del Universo. Los científicos pueden estimar la edad de estas estrellas al estudiar su composición química y modelar su evolución. Estas estimaciones de edad, aunque menos precisas que las basadas en la CMB y la expansión del Universo, proporcionan límites inferiores a la edad del Universo.
El espacio-tiempo de nuestro Universo es una solución dinámica de la ecuación de la relatividad general. No es una solución estática, sino una solución en expansión, donde las propiedades del espacio-tiempo varían con el tiempo según la evolución de la densidad de materia y energía. En otras palabras, nuestro espacio-tiempo (el que observamos) es una solución evolutiva que resulta de la distribución de la materia y la energía en el Universo, conforme a la relatividad general.
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